基于超材料缓冲垫的海洋桩基水下噪声抑制设计方法研究

推荐：为降低海上风电单桩打桩过程中的低频水下噪声对海洋生物的危害，研究人员提出了一种基于超材料(metamaterial)的缓冲垫(meta-cushion)设计方法。通过螺旋谐振单元(spiral resonator)的带隙特性过滤纵向波，结合有限元模拟和实验模态分析，实现了200-350Hz频段最高12dB的声压级(SPL)衰减，为适应不同尺寸单桩(monopile)安装提供了系统化设计指南。

　　

随着全球海上风电装机容量的快速增长，直径达8米的巨型单桩(monopile)基础安装过程中产生的低频噪声(200-350Hz)已成为严峻的生态挑战。传统气泡幕(bubble curtain)等降噪系统在低频段效果有限，而大尺寸气泡(8-50mm)在湍流环境中难以稳定维持。更棘手的是，未来单桩尺寸的持续增大将导致噪声频率进一步降低，现有技术面临失效风险。

针对这一难题，代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究团队创新性地将超材料(metamaterial)概念引入海洋工程领域，开发出具有局部谐振特性的缓冲垫(meta-cushion)。这种安装在冲击锤与单桩之间的装置，通过精心设计的螺旋谐振单元(spiral resonator)阵列过滤特定频段的纵向波，从噪声传播源头实现衰减。相关研究成果发表在《Ocean Engineering》上。

研究团队采用多尺度验证的研究路径：首先建立包含单桩-水-土壤相互作用的轴对称振动声学模型，通过特征频率分析确定关键噪声频段；随后设计4种不同几何参数的螺旋谐振单元，通过传输损失分析确定其带隙(band gap)特性；采用周期性边界条件进行无限周期系统的非维数分析；最后通过3D打印制作原型，在缩比水池中进行模态冲击试验，测量单桩振动和1-2m范围内的声压级(SPL)。

输入参数确定方面，研究建立了考虑锤击能量(E)、桩头阻抗(Z)和水深等参数的缩放模型。对直径0.3m、长2.4m的缩比单桩模拟显示，546Hz处的第三阶固有频率对应最高噪声峰值。

数值分析揭示，含10个谐振器的II型螺旋单元在895-1070Hz展现最宽带隙。18阵列组合的meta-cushion临界屈曲载荷达5003N，比6阵列设计提升217%。瞬态分析发现最大von Mises应力集中于螺旋梁起始端和阵列边缘狭窄区域。

实验验证取得突破性发现：

1. 单谐振器配置中，B型(纯II型阵列)在895Hz实现12dB降噪，远超A型(3dB)和D型(0dB)
2. 组合配置中，comb5(含I-IV型混合阵列)在全频段保持SPL<140dB
3. 压力传感器测量显示，comb3在900Hz频段降噪达30dB

非维数分析为工程应用提供普适性指导：

1. 40mm单元尺寸的PLA材料在104-1339Hz形成两个带隙
2. 相同尺寸的钢制单元带隙移至269-475Hz
3. 单元尺寸每增大10倍，带隙频率降低10倍

这项研究建立了从参数识别、性能评估到实验验证的完整设计框架，其创新性体现在：

1. 首次提出可适应不同环境条件的meta-cushion系统化设计方法
2. 通过谐振单元非维数分析实现全尺寸预测
3. 验证了多谐振器组合拓展衰减带宽的可行性

研究团队特别指出，当前采用PLA材料的3D打印原型在制造精度和材料性能方面存在局限，未来采用金属增材制造或能进一步提升性能。该设计方法同样适用于振动锤安装工况，只需根据载荷特性调整输入参数。这项技术为海上风电绿色施工提供了新思路，对保护海洋哺乳动物听觉系统具有重要意义。